不同電極電催化氧化降解橙黃G的研究

楊梅

[摘? ? ? ? ? ?要]? 考查電流密度、初始濃度、電解質(zhì)濃度和溶液pH值四種工藝條件下Ti電極和Ti/Sb SnO2電極和對橙黃G去除效果的影響。結果表明：電流密度為4.8 mA/cm2、初始濃度為40mg/L、NaCl濃度0.2mol/L、pH=7時電解30min，Ti電極和Ti/Sb-SnO2電極對橙黃G的去除率分別為84.8%和96.8%，表明在電極表面涂覆Sb、Sn涂層可有效提高電極的性能。

[關? ? 鍵? ?詞]? 銻-錫氧化物涂層電極;橙黃G;工藝因素

[中圖分類號]? X703 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?[文獻標志碼]? A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? [文章編號]? 2096-0603（2020）11-0127-03

一、實驗部分

（一）電解實驗

分別以熱分解法[1.2]制備的Ti[3]和Ti/Sb-SnO2[4]電極為陽極，以Ti片為陰極，穩(wěn)壓電源提供穩(wěn)定電流，利用自制的電解裝置進行電解實驗。電極間距1.5 cm， 電極面積2.5 cm×2.5 cm， 并采用中速攪拌，分別用0.1 mol/L NaOH和0.1 mol/L H2SO4調(diào)節(jié)溶液的pH值。

（二）分析方法

橙黃G濃度采用分光光度法測試，檢測波長：477nm。

UV-vis測試，掃描范圍200～900nm，掃描速度采用中速。

橙黃G去除率（η）的計算式中：C0——起始時刻的橙黃G濃度（mg/L），Ct——t時刻橙黃G的濃度（mg/L）。

二、結果與討論

（一）電流密度的影響

橙黃G初始濃度80mg/L，電解質(zhì)NaCl濃度0.3mol/L，電解30min，室溫條件下，電流密度分別為1.6mA/cm2、4.8 mA/cm2、8.0 mA/cm2、12.8 mA/cm2和16.0 mA/cm2時，對橙黃G進行降解實驗。

結果如圖1所示，Ti/Sb-SnO2電極降解橙黃G的去除率隨著電流密度的增加而增大，特別是當電流密度大于8.0mA/cm2時，電解1min橙黃G的濃度就都降到了20mg/L以下，去除率達到76%以上。而Ti電極對橙黃G的去除率開始是隨著電流密度的增加而增大，但是當電流密度太大達到16.0mA/cm2時，去除率反而下降。這是因為本實驗是恒電流控制體系，在相同時間內(nèi)，電流密度越大通過的電量就越大，電產(chǎn)生的活性基團就越多，去除橙黃G的效果就越明顯，但電流密度越大，槽電壓就越高，電極就比較容易損耗，壽命就縮短，所以控制適當?shù)碾娏髅芏扔欣谔岣唠姌O的使用壽命。

Ti電極和Ti/Sb-SnO2電極和在電流密度為4.8mA/cm2電解2min時，去除率分別為20.2%和54.2%，當電解5min時，Ti/Sb-SnO2電極曲線趨于穩(wěn)定去除率隨著電解時間的增加基本保持不變?yōu)?6.6%，可見Ti/Sb-SnO2電極與Ti電極相比催化性能有所增強，Ti/Sb-SnO2電極產(chǎn)生的活性基團數(shù)目較多，電極的催化氧化性能有所提高。

（二）初始濃度對橙黃G去除率的影響

在電流密度為4.8mA/cm2，電解質(zhì)NaCl濃度0.3mol/L，電解30min，室溫條件下，考查不同橙黃G初始濃度對去除率的影響。

如圖2所示，Ti電極初始濃度為10mg/L時去除率可以達到81%，但是隨著初始濃度繼續(xù)增大去除率反而逐漸降低，這是因為Ti電極極易被氧化且是不可逆電極，隨著電解時間的進行Ti電極逐步被氧化由紫色變?yōu)楹谏敲此趸袡C物的能力就會逐步下降，且相同條件下產(chǎn)生的活性基團個數(shù)是相同的，所以增大初始濃度橙黃G的去除率會逐漸下降.而Ti/Sb-SnO2電極，隨著橙黃G的初始濃度從10mg/L增加到80mg/L，電解5min時，去除率都可以達到理想的效果，但初始濃度為40mg/L時去除率最大。表明該電極存在一個最佳初始濃度，增加或減少該初始濃度去除率都會下降，可能是由于活性基團沒有選擇性，當初始濃度大于最佳濃度時一部分活性基團就去氧化中間產(chǎn)物導致去除率下降。

當橙黃G初始濃度為40mg/L，電解2min時，Ti/Sb-SnO2電極和Ti電極的去除率分別是93.8%和57.3%。說明，銻—錫氧化物涂層電極比表面積大大增加，電極催化氧化性能得到提高。

（三）電解質(zhì)濃度對橙黃G去除率的影響

如圖3是電流密度為4.8mA/cm2，初始橙黃G濃度為40mg/L，室溫條件下，電解30min，不同電解質(zhì)NaCl濃度對橙黃G去除率影響的曲線圖。

由圖3可知，以Ti電極為陽極降解橙黃G，電解10min時，存在最佳電解質(zhì)濃度0.25mol/L，在相同時間內(nèi)，大于或小于該濃度橙黃G的去除率都會下降。但是當電解時間延長至30min時，考慮節(jié)省資源電解質(zhì)濃度為0.2mol/L較適宜。而以Ti/Sb-SnO2電極為陽極降解橙黃G，電解30min時，去除率隨著電解質(zhì)濃度的變化影響不大，但也存在最佳濃度為0.25mol/L，大于或小于該濃度橙黃G的去除率都會下降。考慮是因為電解質(zhì)濃度增加會使反應Cl2+H2O=H++Cl-+HOCl的平衡向左移動，導致活性氯數(shù)目減少。同時隨著離子濃度的增大離子的擴散效應也變小，且電解結束后發(fā)現(xiàn)，在電極的表面已經(jīng)形成了一層鹽膜，因此濃度的繼續(xù)增加會造成去除率的下降。

由圖可知，在相同電流密度條件下，電解2min，Ti/Sb-SnO2電極去除率最高，所需的氯化鈉的量最少。由電極的表征可知，改性后的電極的析氯電位降低了，說明相對于Ti電極來說，Ti/Sb-SnO2電極更容易發(fā)生析氯反應。而本實驗主要是利用活性氯間接氧化降解橙黃G，所以在相同條件下，電極產(chǎn)生活性氯能力越強所需電解質(zhì)的量就越少。

（四）溶液pH值對橙黃G去除率的影響

上圖4是兩種電極在電流密度4.8mA/cm2，初始橙黃G濃度40mg/L，電解質(zhì)NaCl濃度0.2mol/L，室溫條件下電解30min，測得體系中剩余橙黃G隨pH值的變化規(guī)律.

結果表明，隨著pH值的增大，Ti/Sb-SnO2電極和Ti電極對橙黃G的去除率都增加，當pH=7時，去除率達到最大值分別為96.8%和84.8%，而后隨著pH值的增加橙黃G的去除率減小，因此，兩種電極對橙黃G的降解都有一個最佳pH值，即在中性條件下去除效果最好。考慮是因為酸性條件下HClO在活性氯中的比例大，副反應HClO→HCl+O2加快。同時，Cl2+H2O=H++Cl-+HOCl平衡向左移動，活性氯降低。堿性條件下活性氯主要以ClO-形式存在，ClO-在陰極會發(fā)生還原反應（ClO-+H2O+2e-→Cl-+2OH-，Eo=0.89 V/SHE，25℃），另外，ClO-會進一步轉化為ClO3-（2HClO+ClO-+2OH-→ClO3-+2Cl-+2H2O），導致活性氯急劇下降。同時參與競爭的副反應——析氧反應增強，在電流密度不變的情況下，抑制了活性基團的產(chǎn)生，導致橙黃G去除率變小。所以，在相同電流密度條件下，中性溶液氧化能力最強，去除效果較好。

由圖可知，當pH=7時，Ti/Sb-SnO2電極和Ti電極電極相比橙黃G的去除率明顯增大，說明涂層在一定程度上起到增強電極性能的作用。

三、結論

1.在恒電流控制體系下，電流密度越大，去除橙黃G的效果越明顯，但是槽電壓會升高，電極壽命會縮短，所以控制適當?shù)碾娏髅芏扔欣谔岣唠姌O的使用壽命。當電流密度為4.8mA/cm2電解2min時，Ti電極和Ti/Sb-SnO2電極去除率分別為20.2%和54.2%。

2.兩種電極降解橙黃G都存在一個最佳初始橙黃G濃度（即40mg/L），增加或減少該初始濃度去除率都會下降。當橙黃G初始濃度為40mg/L電解2min時，兩種電極相比Ti/Sb-SnO2電極的去除率最大達到93.8%。

3.本實驗主要是活性基團降解橙黃G，但是電解質(zhì)濃度增加會使反應Cl2+H2O=H++Cl-+HOCl的平衡向左移動，導致活性氯數(shù)目減少。同時隨著離子濃度的增大離子的擴散效應也變小，因此濃度的繼續(xù)增加會造成去除率的下降。所以選擇適當?shù)碾娊赓|(zhì)濃度既節(jié)省資源又提高電流效率。

4.三種電極對橙黃G的降解都有一個最佳pH值，即在中性條件下去除效果最好，因為酸堿性條件下都不利于活性氯的產(chǎn)生。

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編輯 張 慧